CN109893778B - 一种粒子放射治疗射束实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粒子放射治疗射束实时监测方法，包括根据切伦科夫光光强二维分布即可实时监测质子束的照射位置、大小、形状、均匀性和半高宽；同时，基于切伦科夫光光强和质子束能量之间的定量关系，可确定质子束实际输出的能量；然后根据射束输出的实时偏差信息，可计算得到剂量偏差值。本发明提供了一种能够实时全面监测质子放射治疗过程中射束信息（能量、照射位置、大小、均匀性、半高宽）且简单实用、稳定可靠的新方法，可有效确保计划剂量的准确授予。

Description

一种粒子放射治疗射束实时监测方法

技术领域

本发明涉及放射治疗领域，具体是一种粒子放射治疗射束实时监测方法。

背景技术

质子放射治疗是目前最前沿的癌症治疗手段之一，其具有独特的物理特性：质子的剂量沉积在某一深度处存在一个峰值，且在峰值之后剂量沉积下降非常陡峭，几乎瞬间降低至0；在实际应用中，通过不同能量质子束的组合，可只在肿瘤区域形成一个高剂量平台。相对于传统的光子放射治疗，质子放射治疗能够在保证靶区剂量的同时尽可能减少尾部正常组织器官的剂量。但同时也正是由于质子束的这一特性，使得轻微的质子束输出不准确即可导致较大的剂量偏差，从而导致靶区剂量过低或造成正常组织过量照射。所以，在肿瘤患者进行质子放射治疗前，都需要通过治疗计划系统设计个体化的质子束照射计划，对质子束能量、照射位置、束斑大小、均匀性、半高宽等进行精确设计。但质子束本身特性亦可能发生偏差，非常有必要在质子放射治疗中对射束进行质量保证和控制，以确保治疗疗效和保障患者辐射防护与安全的基础。

目前，质子束在治疗前需要使用电离室和水体模对其进行质量保证，在治疗过程中则通过机头端有限数量的电离室对剂量率输出进行实时测量。但该类质量保证方法仍不能全面地确保治疗过程中射束输出的准确性，无法对照射到患者体表的射束信息（能量、照射位置、大小、均匀性、半高宽）进行实时监测。因此，急需发展一种用于质子放射治疗射束实时监测的新方法，能够确保治疗过程中射束输出的准确性，进而保证计划剂量的准确授予。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种粒子放射治疗射束实时监测方法，能够实时监测质子放射治疗射束能量、照射位置、大小、均匀性和半高宽且简单实用、稳定可靠。

本发明提供了一种粒子放射治疗射束实时监测方法，包括以下步骤：

1）通过治疗计划系统获得治疗过程中射束任意时间点的能量E (T)、照射位置P(T)，并获取不同能量质子束的束斑大小 R (E)、均匀性U (E)和半高宽FWHM (E)，其中E为质子束的能量，T为照射过程中的任意时间点，照射位置P为照射到患者体表射野中心点的空间坐标（X,Y, Z）；

2）在最优探测条件下利用EMCCD探测器获得不同能量质子束照射时的杂散辐射背景数据S (E, N_x, N_y) ，其中S为每一像素的光学计数，E为质子束能量，N_x和N_y分别为每一像素在EMCCD探测器X和Y方向上的阵列序号；

3）在质子放射治疗前，设置最优探测条件，利用EMCCD探测器获取质子束照射位置处的环境光背景数据B (N_x, N_y)；

4）在质子放射治疗过程中，保持最优探测条件不变，利用EMCCD探测器对质子束照射位置进行实时二维光学成像，实时测量照射位置处的单位面积光强二维分布V (T, E,N_x, N_y)；

5）将不同时间点的光强二维分布减去环境光背景数据和杂散辐射背景数据，然后根据切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系，得到单位面积切伦科夫光光强二维分布V_c(T, E, N_x, N_y)；

6）切伦科夫光光强二维分布区域的位置、大小、均匀性和半高宽即反映质子射束相关信息；同时，基于切伦科夫光光强和质子束能量之间的定量关系，由切伦科夫光光强得到射束能量；最终，可得到任一时间点射束的能量E_a(T)、照射位置P_a (T)、大小R_a (T)、均匀性U_a (T)和半高宽FWHM_a (T)；

7）将根据切伦科夫光光强二维分布获得的实际射束信息和步骤1）中的理想射束信息进行对比分析，得到任一时间点射束各个特性的偏差百分比；同时，基于蒙特卡罗方法计算患者肿瘤区域和正常组织的剂量偏差值。

步骤2）所述的最优探测条件确定过程如下：基于等效数字体模和质子束流源项，利用蒙特卡罗工具包Geant4计算EMCCD探测器位于不同角度和位置时的切伦科夫光光强分布，确定EMCCD探测器的最佳探测位置和角度；同时，通过实验验证该最佳探测位置和角度，并进一步确定EMCCD探测器的探测参数设置，最终确定包括EMCCD探测器位置及角度、探测参数在内的最优探测条件。

步骤5）所述切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系可由以下步骤获得：在不同能量质子束实际照射辐射仿真人体体模条件下，利用EMCCD探测器在最优探测条件下对体模近体表产生的光学光子光谱进行测量，通过光谱分析建立不同能量质子束照射下切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系。

步骤6）所述切伦科夫光光强和质子束能量之间的定量关系可由以下步骤获得：基于等效数字体模和特定质子放射治疗设备的射束源项，将EMCCD探测器设置为最优探测条件，利用蒙特卡罗方法计算不同能量质子束照射时EMCCD探测器得到的切伦科夫光光强分布，建立切伦科夫光光强和射束能量之间的定量关系式；同时，在不同能量质子束实际照射辐射仿真人体体模条件下，利用EMCCD探测器在最优探测条件下对光学光强分布进行探测，并根据切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系，基于实验数据对切伦科夫光光强和射束能量之间的定量关系进行标定校正。

本发明有益效果在于：根据质子放射治疗过程中产生的切伦科夫光光强二维分布即可确定射束的照射位置、大小、均匀性和半高宽，并结合切伦科夫光光强和射束能量之间的定量关系反推射束能量，进而可以全面监测质子放射治疗过程中的射束输出准确性，达到确保治疗疗效和保障患者辐射防护与安全的效果。

附图说明

图1为本发明实例提供的质子束在患者体表照射位置处产生切伦科夫光及其探测示意图。

图2为本发明粒子放射治疗射束实时监测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为质子束在患者体表照射位置处产生切伦科夫光及其探测示意图。患者3固定于治疗床7上，从质子加速器装置1发射出的质子束2按照治疗计划对患者3进行照射。质子束2在患者3体内产生切伦科夫光4，照射野范围内近体表处产生的切伦科夫光4穿出体表被固定于悬挂臂6上的EMCCD探测器5所探测，进而扣除环境光背景数据和杂散辐射背景数据，然后根据切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系得到切伦科夫光光强二维分布，根据切伦科夫光光强二维分布即可确定质子束任一时间点的能量、照射位置、大小、均匀性和半高宽。

图2为本发明粒子放射治疗射束实时监测方法的流程示意图，具体过程为：

步骤1：基于等效数字体模和质子束流源项，利用蒙特卡罗工具包Geant4计算EMCCD探测器位于不同角度和位置时的切伦科夫光光强分布，确定EMCCD探测器的最佳探测位置和角度。同时，通过实验验证该最佳探测位置和角度，并进一步确定EMCCD探测器的探测参数设置，最终确定包括EMCCD探测器位置及角度、探测参数等在内的最优探测条件；

步骤2：在不同能量质子束实际照射辐射仿真人体体模条件下，利用EMCCD探测器在最优探测条件下对体模近体表产生的光学光子光谱进行测量，通过荧光峰值波长结合光谱处理实现荧光组分和切伦科夫光组分的分离，建立不同能量质子束照射下切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系；

步骤3：基于等效数字体模和特定质子放射治疗设备的射束源项，将EMCCD探测器设置为步骤1得到的最优探测条件，利用Geant4计算不同能量质子束照射时EMCCD探测器得到的切伦科夫光光强分布，建立切伦科夫光光强和射束能量之间的定量关系式；同时，在不同能量质子束实际照射辐射仿真人体体模条件下，利用EMCCD探测器在最优探测条件下对光学光强分布进行探测，并根据切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系，基于实验数据对切伦科夫光光强和射束能量之间的定量关系进行标定校正；

步骤4：结合质子放疗设备的实验测量数据，获得不同能量质子束的束斑大小R(E)、均匀性U (E)和半高宽FWHM (E)，其中E为质子束的能量；同时，通过质子治疗计划系统获得治疗过程中的射束输出信息，包括任意时间点的射束能量E (T)、照射位置P (T)，其中T为照射过程中的任意时间点，照射位置P为照射到患者体表射野中心点的空间坐标（X, Y,Z）；

步骤5：基于辐射仿真人体体模，在最优探测条件下，利用EMCCD获取不同能量质子束照射下的杂散辐射背景数据S (E, N_x, N_y)，其中S为每一像素的光学计数，E为质子束能量，N_x和N_y分别为每一像素在EMCCD探测器X和Y方向上的阵列序号；

步骤6：在质子放射治疗前，设置最优探测条件，利用EMCCD探测器获取质子束照射位置处的环境光背景数据B (N_x, N_y)；

步骤7：在质子放射治疗过程中，保持最优探测条件不变，利用EMCCD探测器对质子束照射位置进行实时二维光学成像，实时测量照射位置处的单位面积光强二维分布V (T,E, N_x, N_y)；

步骤8：将不同时间点的光强二维分布减去步骤6得到的环境光背景数据和步骤5获得的杂散辐射背景数据，然后根据步骤2获得的切伦科夫光光强与总光强之间比例关系，得到单位面积切伦科夫光光强二维分布V_c(T, E, N_x, N_y)；

步骤9：切伦科夫光光强二维分布区域的位置、大小、均匀性和半高宽即反映质子射束相关信息；同时，基于步骤3得到的定量关系，由切伦科夫光光强得到射束能量；最终，可得到任一时间点射束的能量E_a(T)、照射位置P_a (T)、大小R_a (T)、均匀性U_a (T)和半高宽FWHM_a (T)；

步骤10：将根据切伦科夫光光强二维分布获得的实际射束信息和步骤4中的理想射束信息进行对比分析，得到任一时间点射束各个特性的偏差百分比；同时，利用蒙特卡罗工具包Geant4计算患者肿瘤区域和正常组织的剂量偏差值，工作人员根据剂量偏差情况决定是否需要终止治疗并重新进行治疗计划的设计及调整。

本实施例中选用EMCCD探测器作为EMCCD探测器，亦可以使用其他用于微弱光探测的EMCCD探测器；所选用探测器的光谱响应范围应与切伦科夫光光谱匹配，确保峰值量子效率尽可能高；所选用EMCCD探测器的有效像素数应尽可能的多，确保光学测量的空间分辨率，推荐有效像素数为1024 × 1024。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种粒子放射治疗射束实时监测方法，其特征在于包括以下步骤：

1）通过治疗计划系统获得治疗过程中射束任意时间点的能量E (T)、照射位置P (T)，并获取不同能量质子束的束斑大小 R (E)、均匀性U (E)和半高宽FWHM (E)，其中E为质子束的能量，T为照射过程中的任意时间点，照射位置P为照射到患者体表射野中心点的空间坐标（X,Y, Z）；

2）在最优探测条件下利用EMCCD探测器获得不同能量质子束照射时的杂散辐射背景数据S (E, N_x, N_y) ，其中S为每一像素的光学计数，E为质子束能量，N_x和N_y分别为每一像素在EMCCD探测器X和Y方向上的阵列序号；述的最优探测条件确定过程如下：基于等效数字体模和质子束流源项，利用蒙特卡罗工具包Geant4计算EMCCD探测器位于不同角度和位置时的切伦科夫光光强分布，确定EMCCD探测器的最佳探测位置和角度；同时，通过实验验证该最佳探测位置和角度，并进一步确定EMCCD探测器的探测参数设置，最终确定包括EMCCD探测器位置及角度、探测参数在内的最优探测条件；

3）在质子放射治疗前，设置最优探测条件，利用EMCCD探测器获取质子束照射位置处的环境光背景数据B (N_x, N_y)；

4）在质子放射治疗过程中，保持最优探测条件不变，利用光学探测器对质子束照射位置进行实时二维光学成像，实时测量照射位置处的单位面积光强二维分布V (T, E, N_x,N_y)；

5）将不同时间点的光强二维分布减去环境光背景数据和杂散辐射背景数据，然后根据切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系，得到单位面积切伦科夫光光强二维分布V_c(T,E, N_x, N_y)；所述切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系可由以下步骤获得：在不同能量质子束实际照射辐射仿真人体体模条件下，利用EMCCD探测器在最优探测条件下对体模近体表产生的光学光子光谱进行测量，通过光谱分析建立不同能量质子束照射下切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系；

6）切伦科夫光光强二维分布区域的位置、大小、均匀性和半高宽即反映质子射束相关信息；同时，基于切伦科夫光光强和质子束能量之间的定量关系，由切伦科夫光光强得到射束能量；最终，可得到任一时间点射束的能量E_a(T)、照射位置P_a (T)、大小R_a (T)、均匀性U_a(T)和半高宽FWHM_a (T)；所述切伦科夫光光强和质子束能量之间的定量关系可由以下步骤获得：基于等效数字体模和特定质子放射治疗设备的射束源项，将EMCCD探测器设置为最优探测条件，利用蒙特卡罗方法计算不同能量质子束照射时光学探测器得到的切伦科夫光光强分布，建立切伦科夫光光强和射束能量之间的定量关系式；同时，在不同能量质子束实际照射辐射仿真人体体模条件下，利用光学探测器在最优探测条件下对光学光强分布进行探测，并根据切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系，基于实验数据对切伦科夫光光强和射束能量之间的定量关系进行标定校正；

7）将根据切伦科夫光光强二维分布获得的实际射束信息和步骤1）中的理想射束信息进行对比分析，得到任一时间点射束各个特性的偏差百分比；同时，基于蒙特卡罗方法计算患者肿瘤区域和正常组织的剂量偏差值。

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